水泥廠窯尾結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法及控制因素

張 立

(合肥水泥研究設(shè)計(jì)院,合肥 230000)

水泥廠窯尾結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法及控制因素

張 立

(合肥水泥研究設(shè)計(jì)院,合肥 230000)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展,水泥廠窯尾結(jié)構(gòu)在全國(guó)范圍內(nèi)被廣泛采用。窯尾結(jié)構(gòu)平面尺寸小、層高大、建筑結(jié)構(gòu)高、建筑荷載大,其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算無(wú)專門規(guī)范作為依據(jù)。該文詳盡分析了窯尾結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn),針對(duì)窯尾結(jié)構(gòu)中的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和構(gòu)件設(shè)計(jì),從安全性和經(jīng)濟(jì)性考慮給出了其設(shè)計(jì)思路與方法。

水泥廠; 窯尾結(jié)構(gòu); 設(shè)計(jì); 控制因素

我國(guó)目前仍處于工程建設(shè)的高速發(fā)展期,基礎(chǔ)建設(shè)規(guī)模堪稱世界第一。水泥作為工程建設(shè)的主要材料,其工程需求量與日俱增,其供求關(guān)系刺激著我國(guó)水泥廠工業(yè)的發(fā)展和壯大。水泥廠窯尾結(jié)構(gòu)是目前新型干法水泥廠的核心工程,也是建筑高度大、結(jié)構(gòu)荷載高的特種建筑結(jié)構(gòu)。規(guī)模較小的水泥廠常將窯尾結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成多層混凝土框架結(jié)構(gòu),但隨著水泥廠生產(chǎn)規(guī)模的壯大,結(jié)構(gòu)高度越來(lái)越大,個(gè)別工程中其高度甚至都超過(guò)了百米。與此同時(shí),窯尾結(jié)構(gòu)由于平面尺寸的限制,普通的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)顯然已無(wú)法滿足其安全性要求,而剪力墻框架結(jié)構(gòu)又往往不能滿足其使用功能的要求,因此現(xiàn)代水泥廠窯尾結(jié)構(gòu)建設(shè)中常采用鋼結(jié)構(gòu)作為其主要承重構(gòu)件。采用鋼結(jié)構(gòu)的水泥廠窯尾工程可以保證設(shè)備安裝的簡(jiǎn)易性和經(jīng)濟(jì)性,其已成為規(guī)模為2 000 t/d的水泥廠窯尾結(jié)構(gòu)的主要形式。

1 水泥廠窯尾結(jié)構(gòu)概述及其優(yōu)缺點(diǎn)

1.1 水泥廠窯尾結(jié)構(gòu)概述

水泥廠窯尾結(jié)構(gòu)為既高又柔的塔類重工業(yè)建筑,其具體表現(xiàn)為:

1)整個(gè)結(jié)構(gòu)的高寬比均大于5.0。

2)樓層層高大,往往在6.6～20.2 m。

3)層間柱高度大。少量柱由于結(jié)構(gòu)平面布置和設(shè)備等原因造成框架梁拉不通,以致局部框架結(jié)構(gòu)不成立,造成單層柱高度大于20 m。

4)框架梁跨度大,其跨度集中在8～18 m。

此外,由于建筑使用功能的限制,樓面開(kāi)孔率和開(kāi)孔面積往往得不到保證,極易造成部分樓層剩下的樓面面積不足。同時(shí),鋼結(jié)構(gòu)樓面往往由焊接工字梁、型鋼及上鋪鋼板組成,上鋪鋼板的厚度一般情況下不大于6 mm,極易導(dǎo)致除混凝土樓面板外的其它樓面剛度不足。

1.2 水泥廠窯尾結(jié)構(gòu)的特性及主要優(yōu)點(diǎn)

水泥廠窯尾結(jié)構(gòu)區(qū)別于水泥廠一般建筑的主要特點(diǎn)表現(xiàn)在:

1)平面尺寸小,結(jié)構(gòu)總高度和層高大。以實(shí)際工程中常見(jiàn)的規(guī)模為1 500 t/d的水泥廠為例,窯尾結(jié)構(gòu)的平面尺寸往往被限制在11 m×11 m范圍內(nèi),高度達(dá)60 m左右,最大層高可達(dá)10 m。

2)建筑荷載大。水泥廠窯尾結(jié)構(gòu)按照水泥的生產(chǎn)工藝要求一般采用4柱式框架結(jié)構(gòu),每根柱子所承受的設(shè)計(jì)荷載達(dá)到了1 000 t以上,樓面活載設(shè)計(jì)值達(dá)到了5 k N/m2左右。

作為規(guī)模為2 000 t/d的水泥廠結(jié)構(gòu)的主要形式,窯尾結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)明顯,主要表現(xiàn)在下述幾個(gè)方面:

1)承載力較高,經(jīng)濟(jì)效益較好。相關(guān)文獻(xiàn)研究和工程實(shí)踐都表明,在承載力相同的條件下,窯尾結(jié)構(gòu)與普通水泥廠結(jié)構(gòu)相比可大量節(jié)省鋼材和混凝土的用量。在采用鋼管混凝土柱的前提下,窯尾結(jié)構(gòu)可明顯降低造價(jià),同時(shí)還能有效減少結(jié)構(gòu)建設(shè)中的焊接工作量。

2)抗震性能好,抗側(cè)向變形能力出眾。窯尾結(jié)構(gòu)柱由于采用混凝土或者鋼結(jié)構(gòu)的框架形式,其截面慣性矩在各個(gè)方向上差異不大,這就對(duì)地震荷載或風(fēng)荷載起到有效的抵抗作用。同時(shí),由于其截面慣性矩在各個(gè)方向上差異不大,其抵抗側(cè)向變形的能力也十分優(yōu)異。

3)施工方便。由于窯尾結(jié)構(gòu)中鋼構(gòu)件比例較大,可有效的減少混凝土的澆筑量,這就使窯尾結(jié)構(gòu)在實(shí)際工程中的施工進(jìn)度得到了保障。

1.3 水泥廠窯尾結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的常見(jiàn)問(wèn)題

通過(guò)上述分析可知,水泥廠窯尾結(jié)構(gòu)作為一種特殊的重工業(yè)廠房結(jié)構(gòu),其設(shè)計(jì)施工過(guò)程中尚沒(méi)有出現(xiàn)一種專門規(guī)范作為其設(shè)計(jì)施工的依據(jù)。對(duì)于此類復(fù)雜的空間受力結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)師往往采用有限元法進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、計(jì)算和校核。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算中,由于水泥廠窯尾結(jié)構(gòu)受力體系因?yàn)樯a(chǎn)工藝和設(shè)備的影響較大,其主要受力構(gòu)件布置復(fù)雜,水泥廠窯尾結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算的準(zhǔn)確性往往得不到保證。同時(shí),由于施工過(guò)程的復(fù)雜性和施工質(zhì)量的不確定性,窯尾結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)結(jié)構(gòu)的連接形式和實(shí)際結(jié)構(gòu)往往差異較大,其直接影響了水泥廠窯尾結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算的準(zhǔn)確性。

目前,在水泥廠窯尾結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算中往往假定其樓板平面剛度較大,而忽略其平面變形。在實(shí)際工程中,通過(guò)上文簡(jiǎn)述可知,窯尾結(jié)構(gòu)的工作平臺(tái)通常由厚度為6 mm的鋼板鋪設(shè)而成,在樓面大量開(kāi)孔(工藝設(shè)備要求)的情況下,其剛度往往得不到有效保證,直接造成了設(shè)計(jì)計(jì)算分析與實(shí)際工程施工的差異。

在水泥廠窯尾結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程中,荷載的合理性對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)分析具有重要影響。水泥廠窯尾結(jié)構(gòu)除承受機(jī)構(gòu)自重和設(shè)備自重外,還要承受物料荷載、平臺(tái)荷載、風(fēng)荷載、地震荷載等,而物料荷載、平臺(tái)荷載、風(fēng)荷載、地震荷載組合系數(shù)的選取對(duì)水泥廠窯尾結(jié)構(gòu)的分析影響重大。如何考慮可變荷載的組合系數(shù)是水泥廠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一個(gè)難題。

水泥廠窯尾結(jié)構(gòu)由于其建筑高度較大,風(fēng)荷載的取值及其作用方式對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性有較大程度影響。窯尾結(jié)構(gòu)上安裝有大量生產(chǎn)性設(shè)備,設(shè)備尺寸和高度均較大且基本都是金屬結(jié)構(gòu)。窯尾結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)并未考慮設(shè)備的安裝布置情況,因此在使用過(guò)程中不能把設(shè)備作為建筑結(jié)構(gòu)的一部分參與受力,但一旦考慮到風(fēng)荷載對(duì)建筑結(jié)構(gòu)作用的面積時(shí),又往往需要考慮設(shè)備尺寸帶來(lái)的影響。此外,風(fēng)荷載的作用方式也往往區(qū)別于一般房屋結(jié)構(gòu)。在工程實(shí)踐中,風(fēng)荷載往往直接作用在金屬設(shè)備上,其特殊作用方式也應(yīng)在窯尾結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中有所體現(xiàn)。同時(shí),由于窯尾結(jié)構(gòu)平面尺寸小、結(jié)構(gòu)高度大、荷載較高等原因,在考慮風(fēng)荷載、地震作用時(shí),不同于一般建筑構(gòu)造,應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)的大變形效應(yīng)。此外,水泥廠窯尾結(jié)構(gòu)在動(dòng)力荷載下的響應(yīng)也是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不可忽略的一部分,如同地震荷載對(duì)窯尾結(jié)構(gòu)的影響一樣,都是此類建筑結(jié)構(gòu)研究的重點(diǎn)。

2 水泥廠窯尾結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

針對(duì)窯尾結(jié)構(gòu)的上述特點(diǎn),對(duì)窯尾結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理選型是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的重點(diǎn)。在一定程度上,窯尾結(jié)構(gòu)平臺(tái)梁的設(shè)計(jì)優(yōu)化要點(diǎn)在于生產(chǎn)工藝和設(shè)備的選擇。針對(duì)不同規(guī)模的水泥廠窯尾結(jié)構(gòu),其框架平臺(tái)梁布置方式也會(huì)不同,務(wù)必有效保證材料的合理使用及其安全性。因此,水泥廠窯尾結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)就集中在結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和構(gòu)件設(shè)計(jì)上。

2.1 水泥廠窯尾結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

水泥廠窯尾結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)形式主要取決于柱底受力狀態(tài)和當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)條件。在確保滿足相應(yīng)規(guī)范的前提下,綜合考慮施工難易程度和工程造價(jià)等因素,保證窯尾結(jié)構(gòu)不發(fā)生沉降和過(guò)大傾斜,滿足其正常使用極限要求。

首先,窯尾結(jié)構(gòu)應(yīng)選用能滿足建筑物地基承載力的基礎(chǔ)形式,其結(jié)構(gòu)允許變形也應(yīng)滿足相應(yīng)條件。當(dāng)?shù)刭|(zhì)狀況較差時(shí),必須采用整體性良好并能抵抗地基不均勻沉降的基礎(chǔ)形式。當(dāng)然,若地質(zhì)狀況良好,在滿足地基承載力和變形要求的情況下,窯尾結(jié)構(gòu)可采用筏型基礎(chǔ)或箱型基礎(chǔ)形式;當(dāng)?shù)鼗休d力和變形不滿足相應(yīng)要求時(shí),可采用樁基礎(chǔ)形式。

窯尾結(jié)構(gòu)為高柔建筑,基底易出現(xiàn)拉應(yīng)力,或者底樁出現(xiàn)上拔力。采用天然地基基礎(chǔ),高寬比大于4時(shí),基礎(chǔ)底面不宜出現(xiàn)零應(yīng)力區(qū);高寬比不大于4時(shí),基礎(chǔ)底面與地基之間零應(yīng)力區(qū)面積不應(yīng)超過(guò)基礎(chǔ)底面面積的15%;采用樁基礎(chǔ)時(shí),單樁的抗拔力應(yīng)滿足計(jì)算要求。

窯尾塔架基礎(chǔ)應(yīng)有一定的埋置深度。在確定埋置深度時(shí),應(yīng)考慮其高度、體型、地基土質(zhì)、抗震設(shè)防烈度等因素。當(dāng)采用巖石地基或采取有效措施時(shí),在滿足地基承載力、穩(wěn)定性要求及基礎(chǔ)底面不出現(xiàn)零應(yīng)力區(qū)的前提下,基礎(chǔ)埋深可不受此限制。當(dāng)?shù)鼗赡墚a(chǎn)生滑移時(shí),應(yīng)采取有效的抗滑移措施。樁基可采用灌注樁、鋼筋混凝土預(yù)制樁或鋼樁。樁基承臺(tái)可選用:柱下單獨(dú)承臺(tái)、雙向交叉梁、筏形承臺(tái)、箱形承臺(tái)。樁基選擇和承臺(tái)設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)上部結(jié)構(gòu)類型、荷載大小、樁穿越的土層、樁端持力層土類、地下水位、施工條件和經(jīng)驗(yàn)、制樁材料供應(yīng)條件等因素綜合考慮,做到技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理,確保工程質(zhì)量。在實(shí)際工程中,采用灌注普遍的天然地基作為獨(dú)立基礎(chǔ),條形基礎(chǔ)和交叉梁基礎(chǔ)的樁基一般為大直徑樁基礎(chǔ)。

窯尾塔架柱底內(nèi)力大,一般采用剛性連接柱腳。混凝土柱的柱腳采用現(xiàn)澆的剛性柱腳。鋼管混凝土柱或鋼柱的柱腳形式較多,杯口插入式柱腳、外露式柱腳、外包式柱腳和埋入式柱腳在實(shí)際工程中都有應(yīng)用,主要結(jié)合柱斷面形式、受力特點(diǎn)、工程施工、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等方面綜合考慮后計(jì)算確定。鋼管混凝土柱腳一般采用外包式柱腳,鋼柱腳采用外露式柱腳較多,其它柱腳形式也在小部分工程中采用。

2.2 水泥廠窯尾結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)

窯尾結(jié)構(gòu)構(gòu)件的選型包括梁、板、柱及水平和縱向支撐的選型及連接方式的選型等。

梁結(jié)構(gòu)常采用鋼梁,截面一般采用工字鋼梁或者型鋼梁。根據(jù)工程需要及構(gòu)件受力狀態(tài),有時(shí)也采用箱型梁截面的鋼梁。在跨度較大、跨中彎矩及支撐處設(shè)立過(guò)大的條件下,為滿足承載力要求和正常使用極限狀態(tài)的要求,也會(huì)采用慣性矩較大的工字型鋼梁或采用存在鋼板加勁肋的型鋼梁。此外,根據(jù)施工條件及生產(chǎn)條件,綜合考慮經(jīng)濟(jì)因素,工程中還常常在一個(gè)平面內(nèi)采用多種形式的梁型,從而進(jìn)一步滿足施工設(shè)計(jì)條件,更好的為水泥生產(chǎn)服務(wù)。

工程實(shí)踐中,窯尾結(jié)構(gòu)平臺(tái)鋪設(shè)常采用花紋鋼板,其平面剛度往往得不到有效保障,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中只能將其視為彈性樓板。當(dāng)然,花紋鋼板樓板施工制造方便,其施工周期短的優(yōu)點(diǎn)十分顯著。窯尾結(jié)構(gòu)平面也可采用鋪壓型鋼板,再在其上澆筑鋼筋混凝土板以進(jìn)一步增強(qiáng)平面內(nèi)有效剛度。此種類型的樓板單元防水防噪音效果良好,其平面剛度一般可滿足結(jié)構(gòu)要求,但在施工過(guò)程中要設(shè)置大量鉚釘,造成施工周期較長(zhǎng)。就窯尾結(jié)構(gòu)而言,花紋鋼板樓板可滿足其防水隔聲要求,其安全性也能得到一定保證,故已成為窯尾結(jié)構(gòu)的主要鋪板方式。

窯尾結(jié)構(gòu)中柱的形式多種多樣,較常采用鋼管混凝土型鋼柱、H型鋼柱,因結(jié)構(gòu)受力要求,較少采用鋼管柱、工字鋼柱和普通型鋼柱。其中鋼管混凝土柱較其它形式柱優(yōu)點(diǎn)明顯,其構(gòu)件承載能力高、鋼材用量少、剛度大、側(cè)向剛度大等。基于此種特點(diǎn),鋼管混凝土柱廣泛應(yīng)用于水泥廠窯尾結(jié)構(gòu)中。

窯尾結(jié)構(gòu)的柱間支撐常選用人字支撐、八字支撐、單斜桿支撐、倒人字支撐或倒八字支撐的剛架結(jié)構(gòu)體系,此類型支撐體系由鋼管組成,結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單明了,以達(dá)到經(jīng)濟(jì)和美觀的效果。H型鋼柱和工字鋼柱的柱間支撐宜采用如雙角鋼、方鋼管等小桿件組成的十字支撐或米字支撐的側(cè)向剛度體系。當(dāng)結(jié)構(gòu)抗震要求較高時(shí)(地震設(shè)防烈度大于8),務(wù)必采用偏心支撐的抗側(cè)力柱間支撐體系,以保護(hù)結(jié)構(gòu)并耗散地震能量。

3 結(jié) 語(yǔ)

作為新型干法水泥廠的核心建筑,窯尾結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性和合理性影響意義重大。該文簡(jiǎn)要介紹了水泥廠窯尾結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn),詳盡分析了窯尾結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上結(jié)合工程實(shí)踐,詳細(xì)闡述了水泥廠窯尾結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的控制因素。針對(duì)窯尾結(jié)構(gòu)中的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和構(gòu)件設(shè)計(jì),從安全性和經(jīng)濟(jì)性考慮給出了其設(shè)計(jì)思路與應(yīng)用方法,以期同廣大設(shè)計(jì)人員共同討論提高。

[1] 高愛(ài)國(guó).鋼管砼柱窯尾塔架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].水泥工程,2002,23(4):54-55.

[2] 司馬德義,汪建環(huán).新型干法水泥廠窯尾塔架的結(jié)構(gòu)選型[J].水泥工程,2006,27(4):73-75.

[3] 付懷忠.水泥廠窯尾塔架的施工與管理[J].中國(guó)科技縱橫,2010,9(19):159.

[4] 張 帆.水泥廠窯尾結(jié)構(gòu)體系的性能與設(shè)計(jì)研究[D].南京:河海大學(xué),2004.

Design Methods and Controlling Factors of Cement Kiln Structures

ZHANG Li
(HeFei Cement Research&Design Institute,Hefei 230000,China)

With the development of China's economy and construction,cement kiln structure is widely used in the country.Kiln structure works as a high-rise industrial buildings,has a facet size and big load.The design and calculations of kiln structure base on non-specialized building code.This paper analyzes the strengths and weaknesses of the kiln structure in detail,and from the safety and economic considerations gives its design ideas and methods for kiln structure foundation design and component design.

cement; kiln structures; design; controllingfactors

2014-05-17.

張 立(1981-),工程師.E-mail:41534139@qq.com

10.3963/j.issn.1674-6066.2014.04.018